입자 가속기 - 암흑물질을 찾기 위한 여정!

가속기는 입자를 높은 에너지로 가속시키는 장치로, 현대 과학 연구와 산업 분야에 대우 중요한 역할을 합니다. 이 장치는 전기장이나 자기장 등을 이용하여 입자들의 에너지를 증가시키고, 그들을 극도로 빠른 속도로 운동하게 만듭니다. 입자 가속기는 주로 원자핵, 전자, 양성자 등을 가속시키는데 시용됩니다. 

 

가속기의 주요 목적은 입자들의 구조와 특성을 연구하는 것입니다. 이를 통해 우주의 기원과 구성, 원자나 분자의 구조 등을 탐구하고 이해할 수 있습니다. 또한 의학 분양에서도 가속기를 이용하여 방사선 치료와 영상 촬영에 사용되며, 산업분야에서도 물질 분석이나 반도체 제조 등에 활용됩니다. 

 

본 글에서는 가속기의 기본 개념부터 용도, 작동원리, 그리고 현대 기술에 대한 영향까지 포괄적으로 알아보고, 가속기의 중요성과 현대 사회에 미치는 영향력을 이해하는데 도움이 될 것입니다.

 입자 가속기(particle accelerator)는 전하를 띤 입자를 가속하는 장치의 총칭입니다. 핵/소립자 가속기 실험에서는 최대 광속에 가까운 속도로 입자를 가속할 수 있습니다. 입자를 고정된 표적에 맞추는 '고정표적 실험'과 가속된 입자를 마주 보고 정면으로 충돌시키는 '콜리더 실험'이 있습니다.

 

가속기 연구의 단초

알파선 산란 실험 등으로 업적을 남긴 어니스트 러더퍼드는 천연 방사성 물질에서 나오는 알파선을 질소 원자핵이 파괴된다는 것을 발견했습니다.(1919년) 이것이 최초의 원자핵 파괴 실험이었습니다. 이 발견에서 전하를 띤 입자(이온, 전자)에 7.7MeV 정도의 에너지를 갖게 하는 전위를 가해 가속하고, 대상인 원자핵에 부딪히면 인위적으로 원자핵을 파괴할 수 있지 않을까 하는 생각을 하게 되었습니다. 1932년 콕크로프트와 윌튼은 당시부터 잘 알려진 배전압 정류 회로를 개량 확장하여 800kV의 고전압과 이를 견딜 수 있는 이온 가속관을 개발하고, 가속된 양성자를 쏘아 리튬 원자핵을 인위적으로 다른 원자핵으로 변환시키는 데 성공했습니다. 또한 이 실험을 통해 특수상대성이론의 귀결인 E=mc2를 정량적으로 검증하는 등 가속기를 이용한 원자핵 연구의 단초를 열었습니다.

이 실험의 성공을 계기로 이미 활발했던 가속기 개발 및 핵 연구는 더욱 탄력을 받아 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자까지 파괴할 수 있는 거대 가속기 건설이 진행되었습니다.

 

가속 방식에서 본 가속기의 종류

 

정전기 가속기

전극 사이에 직류 고전압을 인가하여 그 전위차에 의해 하전된 입자를 가속하는 장치. 연속적인 빔을 얻을 수 있는 것은 정전기 가속기뿐입니다. 가속 에너지의 상한은 인가할 수 있는 전압의 크기에 따라 달라집니다. 최대 가속 전압은 반데크라프형의 경우 수십 MeV(메가전자볼트)로 핵/소립자 실험에 필요한 에너지를 달성할 수 없는 경우가 많습니다. 따라서 선형 가속기나 원형 가속기의 입사 가속기로 사용되는 경우가 많습니다. 직류 고전압을 생성하는 방법에 따라 다음 두 가지 방식으로 분류됩니다.

 

콕크로프트-월튼형

다이오드와 콘덴서를 이용한 배전압 정류 회로를 이용해 고전압을 얻는 방식, 어니스트 월튼과 존 콕크로프트가 확립했습니다. 가속 에너지는 수백 keV - 수 MeV 정도입니다.

 

반데그라프형

절연물 벨트에 전하를 실어 전극에 전달하여 고전압을 얻는 방식. 1930년 로버트 제미슨 반데크라프에 의해 실용화되었습니다. 가속 에너지는 10MeV 정도입니다.

반데그라프의 파생 버전으로는 전하 전달 벨트 대신 금속 원통을 절연성 플라스틱으로 연결한 펠릿 체인을 이용한 펠레트론이 있습니다. 가소 에너지는 20MeV 정도입니다.

또한 가속 입자로 음이온을 이용해 양극을 향해 가속하고 양극 내에서 탄소막 등으로 전자를 떼어내어 양이온으로 만든 후 다시 접지 전극을 향해 가속합으로써 고전압을 이중으로 이용하는 효율적인 가속이 가능해지는데 이를 탠덤 가속기라고 합니다.

 

선형 가속기

전극 사이에 걸리는 전압에는 여러 가지 실용상의 문제로 인해 상한이 존재합니다. 그 상한을 넘어 입자를 가속하는 장치를 고안하는 것 중 입자를 일직선을 가속하는 것을 선형 가속기라고 합니다. 라이낙(linac), 리니어크(lineac)라고도 하는데, 모두 영어로 선형 가속기를 의미하는 "Lieac Accelerator"에서 유래한 것입니다. 기본적인 구조는 다수의 도체관을 나란히 배치한 것입니다. 인접한 도체통끼리 서로 다른 부호로 대전되도록 고주파 전압을 인가합니다. 각 통 사이에는 전기장이 존재하기 때문에 입자에 힘이 작용합니다. 반면, 통의 내부는 균일한 전위이므로 전기장이 존재하지 않아 입자는 힘을 받지 않습니다. 통의 길이와 인가하는 고주파의 주파수를 잘 조절하면, 통을 통과하는 입자가 갭을 통과할 때마다 가속하도록 조정할 수 있습니다.

이 방식으로 에너지가 큰 것을 만들려고 하면 가속기의 길이를 늘려야 합니다. 당연히 가속기가 커지면 기술적으로나 부지 측면에서 어려움이 커집니다. 따라서 기존 선형가속기의 가속 에너지는 수백 MeV 정도까지이며, 그 이상의 에너지를 필요로 할 때는 사이클로트론이나 싱크로트론이 사용되어 왔습니다. 이 경우 싱크로트론의 입사기로 선형가속기가 사용되는 경우가 많습니다. 그러나 21세기에 들어서면서 고에너지 실험의 최전선에 도전하는 새로운 선형 가속기의 건설이 기대되고 있습니다. 전자를 가속할 때 싱크로트론을 이용하면 싱크로트론 복사의 영향으로 기껏해야 수십 GeV의 에너지를 달성하는 것이 고작이라는 벽을 부딪혔기 때문입니다. 반면 선형 가속기는 말 그대로 직선형으로 가속 입자를 구부릴 필요가 없기 때문에 싱크로트론 방사선의 영향을 고려할 필요가 없습니다.  가속기 자체의 물리적 길이만 확보할 수 있다면 더 높은 에너지까지 가속할 수 있습니다.

 

원형 가속기

하전된 입자는 자기장 속을 통과할 때 로렌츠 힘을 받아 휘어집니다. 이를 이용해 하전된 입자가 원형 궤도를 그리며 가속하는 가속기를 만들 수 있습니다. 자기장을 이용해 하전된 입자가 원형 궤도를 그리며 가속하는 가속기 중 자기장이 시간적으로 변하지 않는 것을 사이클로트론(cyclotron)이라고 합니다. 

사이클로트론의 기본 구성은 균일한 자기장 속에 설치된 두 개의 반원형 전극입니다. 전극은 직선인 쪽이 개방된 중공 구조로, 개방된 끝이 서로 마주 보도록 설치됩니다. 전극은 진공상태로 유지되는 가속함이라는 평평한 원형 용기에 담겼습니다.

가속을 시작하기 위해 사이클로트론의 중심 부근에 하전 입자를 입사시키고 전극에 교류 전압을 인가합니다. 전극 사이의 전기장에 의해 가속된 하전 입자는 전극 안의 균일한 전기장 속에서 자기장으로부터 받는 로렌츠 힘만을 받아 원형 궤도를 그리며 다시 갭에 도달합니다. 이때 마침 반대 전계가 전극 사이에 발생하도록 자기장, 전극 간 전압의 주파수를 선택하면 입자는 다시 가속되어 또 다른 전극 속을 방근 전부터 더 큰 반지름의 원형 궤도를 그리며 비행합니다. 궤도의 확대와 입자의 비행속도의 증가가 균형을 이루기 때문에, 입자가 다음 갭에 도달하는 데 걸리는 시간은 앞서와 동일합니다. 따라서 일단 가속을 시작한 입자는 갭에 도달할 때마다 가속되어 비교적 쉽게 큰 에너지를 얻을 수 있습니다. 입자가 전극의 외주 벽에 도달하면 편향 전극으로 궤도 방향을 바꾸어 타깃 챔버로 유도하거나 창문을 통해 가속 상자 밖으로 유도합니다. 

이상은 이상적인 사이클로트론에 대한 설명이지만, 실제로는 몇 가지 한계가 있습니다. 우선 입자의 소산을 방지하고 안정적인 가속을 실현하기 위해서는 입자를 수렴시켜야 하는데, 이를 위해서는 자기장을 균일한 상태에서 벗어나게 해야 한다는 것입니다. 또 하나는 입자가 상대론적 속도까지 가속되면 더 이상 위의 등시성이 성립하지 않아 가속을 지속할 수 없게 된다는 접입니다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 역사적으로 다양한 시도가 있었지만, 에너지 프론티어 개척은 싱크로트론에 자리를 내주게 되었습니다. 현대의 사이클로트론은 섹터형을 만들어 위의 문제를 부분적으로 해결하고, 대강도 중이온 가속기로서 핵물리학 발전에 기여하고 있습니다. 

 

가속기의 미래

가속기 기술은 끊임없이 발전하고 있으며, 미래에는 더욱 발전된 가속기로 더욱 놀라운 결과를 이끌어낼 것으로 기대됩니다. 더욱 높은 에너지를 달성하는 가속기, 더욱 정밀한 제어를 가능케 하는 기술 등이 개발될 것으로 예상됩니다. 이는 우주의 암흑물질 존재를 규명 및 과학, 의료, 에너지, 환경 등 다양한 분야에 혁신적인 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.